It-turbochargers jintużaw kważi b'mod universali f'magni diesel tat-toroq b'bore medju u kbir fl-Amerika ta 'Fuq, u huma wkoll popolarizzati għal kollox f'magni b'bore żgħir. Id-definizzjoni ta 'turbocharger hija pompa ċentrifugali misjuqa mill-gass tal-egżost, li tista' "jirkupra" parti mis-sħana mormija miċ-ċilindri tal-magna. F'applikazzjonijiet speċifiċi ta 'magna tat-tlielaq, il-veloċità rotazzjonali ta' turbocharger tista 'taqbeż 200,000 dawra kull minuta, iżda f'magni diesel, il-veloċità rotazzjonali massima tagħha hija ġeneralment madwar 30% inqas. Il-funzjoni ewlenija ta 'turbocharger hija li tipprovdi arja ta' dħul taħt pressjoni għaċ-ċilindri tal-magna. Fil-qosor, iżid id-densità tal-ossiġnu fl-arja tad-dħul. Barra minn hekk, it-turbina mmexxija mill-gass tal-egżost-tista 'wkoll issuq it-tagħmir tat-tnaqqis konness mal-crankshaft tal-magna permezz ta' akkoppjar tal-fluwidu. F'dan il-punt, it-turbocharger jista 'jgħin biex isuq il-krankxaft. Dan il-metodu jissejjaħ teknoloġija turbo komposti u bħalissa huwa applikat fl-aħħar ġenerazzjoni ta 'magni diesel Detroit. Din ser tiġi introdotta aktar fil-parti ta' wara ta' dan il-kapitolu. Il-Figura 12-7 turi l-veduta t-tajba tal-magna Cummins ISX 2010, li fuqha hija mmarkata l-pożizzjoni tat-turbocharger.
Figura 12-7 Veduta tal-lemin tal-Magna Cummins ISX (immarkata bil-pożizzjoni tat-Turbocharger)
Prinċipju ta' ħidma
Turbocharger huwa pompa tal-arja misjuqa mill-gass tal-egżost, li tikkonsisti minn turbina u impeller installati fuq l-istess xaft (ara Figura 12-8). Ix-xaft huwa sospiż fuq il-frizzjoni li jkollhom żejt lubrikanti pressjoni (sospensjoni idrodinamika). L-impeller tat-turbina huwa mmexxi mill-enerġija (sħana) tal-gass tal-egżost tal-magna u jdur fi ħdan il-housing tat-turbina fejn il-gass tal-egżost jiċċirkola. L-impeller jinsab f'kisi tal-kompressur indipendenti u jaġixxi fuq l-arja tas-sistema tad-dħul, billi tippompjaha fin-naħa taħt pressjoni tas-sistema tad-dħul. Il-gass ta 'l-exhaust li jmexxi t-turbina ma jiġix f'kuntatt ma' l-arja tad-dħul li taġixxi fuq l-impeller. Figura 12-9 turi l-mogħdijiet tal-fluss tal-gass u taż-żejt lubrikanti f'turbocharger sempliċi.
Figura 12-8 L-impeller tat-turbocharger (jew rota tal-kompressur)
Figura 12-9 Veduta trasversali tat-turbocharger (inkluż il-passaġġ taż-żejt lubrikanti u d-direzzjoni tal-fluss tal-gass)
Il-prinċipju tax-xogħol tal-kompressur
L-arja tad-dħul iffiltrata tinġibed fil-kisi tal-kompressur u mmexxija mill-impeller fuq in-naħa tal-kompressur tax-xaft tat-turbina. It-turbina tmexxi l-impeller biex iddawwar fuq in-naħa l-oħra tax-xaft tat-turbina, għalhekk il-veloċità ta 'rotazzjoni attwali tal-impeller tiddependi fuq il-kundizzjonijiet tax-xogħol ġewwa l-akkomodazzjoni tat-turbina. Hekk kif l-impeller idur, l-arja fis-sistema tad-dħul hija aċċellerata għal veloċità għolja. Il-fluss tal-arja b'veloċità għolja-jidħol f'diffużur radjali 'l barra. Diffużur huwa apparat ta 'throttling, li l-għan tad-disinn tiegħu huwa li jikkonverti l-enerġija kinetika (enerġija tal-moviment) tal-arja li tidħol fi pressjoni meta jgħaddi l-fluss tal-arja. Id-diffużur jista 'jkun tat-tip volute (forma ta' bebbuxu) jew tat-tip ta 'xafra (ara Figura 12-9). L-effiċjenza tad-diffużur tax-xafra hija ogħla.
Il-prinċipju tax-xogħol tat-turbina
Il-gass ta 'l-egżost huwa ggwidat lejn id-djar tat-turbina. Iktar ma jkun kbir il-valur tas-sħana mormija tal-magna (li ġeneralment tiżdied biż-żieda tal-qawwa tal-ħruġ tal-magna), iktar tkun għolja l-enerġija termali tal-gass tal-egżost. Il-gass ta' l-egżost jidħol b'mod radjali fil-housing tat-turbina u mbagħad jidħol mill-volute (struttura forma ta' bebbux-b'cross-sezzjoni li tonqos gradwalment). Il-volute tirrappreżenta forma ta 'throttling. Iżda meta l-gass ta 'l-exhaust joħroġ mill-volute, jespandi u jaġixxi fuq ix-xfafar tat-turbini, u mbagħad jidħol fis-sistema ta' l-egżost tul id-direzzjoni axjali.
Il-punt sa fejn il-gass fil-housing tat-turbina jespandi jiddependi fuq is-sħana tal-gass tal-egżost. Taħt il-kundizzjoni tal--output għoli tal-magna, is-sħana mormija mill-magna tiżdied, u l-effett tal-espansjoni tal-gass tal-egżost fuq ix-xfafar tat-turbini se jgħolli l-veloċità tat-turbina. Għandu jiġi enfasizzat li l-veloċità rotazzjonali ta 'turbocharger tiddependi prinċipalment fuq is-sħana tal-gass tal-egżost aktar milli l-pressjoni tiegħu. Is-sinifikat tal-volute għandu jinftiehem ukoll: iktar ma jkun żgħir id-daqs tal-volute, iktar ikun b'saħħtu l-effett ta 'throttling fuq il-fluss tal-arja, iżda volute ta' daqs żgħir - tfisser li l-gass tal-egżost jespandi b'mod aktar sħiħ meta joħroġ 'il barra. L-aħjar soluzzjoni hija li tkun tista 'tikkontrolla ż-żona tal-fluss tal-volute, li se tiġi diskussa aktar hawn taħt. Il-Figura 12-10 hija dijagramma skematika tal-fluss tal-gass f'turbocharger, li turi l-funzjonijiet ewlenin tal-volute u tad-diffużur: Jekk jogħġbok oqgħod attent għad-direzzjonijiet li fihom il-gass joħroġ ġewwa u barra mill-housing tat-turbina u l-housing tal-kompressur.
Mogħdija tal-fluss tal-arja
Kif muri fil-Figura 12-10, il-fluss tal-arja jidħol fil-housing tat-turbina b'mod radjali ta 'dħul u ħruġ assjali. L-arja tgħaddi mill-housing tal-impeller f'direzzjoni assjali u 'l barra b'mod radjali. Fl-aktar disinn sempliċi tat-turbocharger, il-passaġġ tad-dħul jew il-gerżuma tal-housing tat-turbina mhix segmentata, jiġifieri, il-portijiet tal-egżost taċ-ċilindri kollha jwasslu għal kanal ta 'dħul wieħed. Madankollu, turbochargers ta 'ġeometrija varjabbli jistgħu jirregolaw il-fluss ta' l-arja ġewwa u barra mill-housing tat-turbini. Dan se jiġi diskuss aktar tard f'din it-taqsima.
Figura 12-10 Dijagramma skematika tal-prinċipju tal-fluss ta 'l-arja ta' turbocharger, li turi l-funzjonijiet tal-volute u tad-diffużur.
Tip ta' turbocharger
L-ewwelnett, huwa importanti li ssir distinzjoni bejn turbochargers ta'-ġeometrija fissa u turbochargers ta'-ġeometrija varjabbli. Dan l-artikolu jiddefinixxiha kif ġej:
• -Turbocharger bi ġeometrija fissa: Il-gassijiet tal-egżost kollha jgħaddu mill-kaxxa tat-turbina irrispettivament mill-kundizzjonijiet tat-tħaddim tal-magna.
• Turbocharger ta 'ġeometrija varjabbli: Permezz ta' kontroll estern jew intern, iż-żona tal-fluss ġewwa l-housing tat-turbina hija aġġustata, jew parti mill-gass tal-egżost issir biex tevita l-housing tat-turbina.
Mill-2001, it-turbochargers użati fil-biċċa l-kbira tal-magni diesel kummerċjali fuq l-awtostradi għadhom jappartjenu għat-tip ta 'ġeometrija fissa. Iżda din is-sitwazzjoni nbidlet. Illum il-ġurnata, meta naraw turbocharger b'-ġeometrija fissa fuq magna diesel ta' trakk, normalment ikun membru ta' serje turbocharging pairing jew parti minn sistema ta' turbocharging kompost. Fil-preżent, kważi t-turbochargers kollha jadottaw xi tip ta 'teknoloġija biex jirregolaw (jikkontrollaw) il-fluss tal-gass tal-egżost mill-housing tat-turbina, kemm jekk permezz ta' valv ta 'bypass tal-gass tal-egżost jew billi tuża ġeometrija varjabbli interna.
Turbocharger ta'-ġeometrija fissa
Ejja l-ewwel niddeskrivu l-prinċipju tax-xogħol tat-turbocharger ta'-ġeometrija fissa. It-turbochargers b'-ġeometrija fissa huma ddisinjati biex jiksbu l-aħjar prestazzjoni f'veloċitajiet speċifiċi u tagħbijiet speċifiċi ta' sħana mormija, li jfisser li mhumiex versatili ħafna. L-inġiniera għandhom jagħżlu l-ħin tat-tħaddim meta l-effiċjenza tat-turbina hija l-ogħla. Il-biċċa l-kbira tal-magni tat-triq li jużaw turbochargers ta'-ġeometrija fissa tipikament jiksbu l-ogħla effiċjenza tat-turbini tagħhom b'tagħbija sħiħa u veloċitajiet tal-ogħla torque. Jekk tinqabeż il-firxa operattiva, il-prestazzjoni tonqos. It-turbocharger tal--ġeometrija fissa għandu struttura sempliċi. Figura 12-9 turi l-istruttura tipika tagħha.
L-issettjar tal-ogħla effiċjenza tat-turbina fl-ogħla veloċità tat-torque aktar milli l-veloċità nominali jippermetti li t-turbocharger -ġeometriku fiss ikollu karatteristiċi li jirregolaw lilhom infushom: meta tiżdied il-veloċità tal-magna, il-ħin attwali disponibbli għall-pressjoni u l-injezzjoni tal-fjuwil fiċ-ċilindru jitqassar. Jekk turbocharger ta '-ġeometrija fiss jitħaddem barra mill-firxa tal-veloċità speċifikata, il-kurva tat-torque tal-magna tinżel malajr, u tikkawża li l-magna tissielet f'veloċitajiet baxxi u tagħbijiet għoljin. Meta titgħabba b'veloċitajiet għoljin, il-veloċità tinżel malajr, u l-ekonomija tal-fjuwil se tiddeterjora wkoll.
Twissija:
Tqabbil mhux xieraq ta' turbochargers ta'-ġeometrija fissa jista' jwassal għal pressjoni taċ-ċilindru eċċessivament għolja, li tikkawża ħsara fil-magna, jew bil-maqlub, tirriżulta f'enerġija insuffiċjenti, emissjonijiet ta' duħħan iswed u emissjonijiet ta' ħsara miżjuda.
Suġġerimenti tekniċi:
Għalkemm il-magni diesel tat-trakkijiet b'turbochargers ta'-ġeometrija fissa huma ddisinjati biex jiksbu l-ogħla effiċjenza tal-gass fl-ogħla torque, il-biċċa l-kbira tal-magni diesel oħra li jużaw turbochargers ta'-ġeometrija fissa (bħal tagħmir tqil mhux-tat-triq jew settijiet tal-ġeneraturi) tipikament jiksbu dan bil-veloċità nominali (qawwa massima). F'dawn l-applikazzjonijiet, turbochargers b'-ġeometrija fissa jibqgħu komuni u huma tipikament ottimizzati għal kundizzjonijiet ta' tħaddim ta' veloċità-għola-qawwa sħiħa.
Turbocharger ta' ġeometrija varjabbli
L-għan tat-turbocharger ta' ġeometrija varjabbli jista' jinġabar fil-qosor bħala:
• Meta t-tagħbija tal-magna tkun baxxa, agħmel it-turbina tirrispondi malajr daqs turbocharger żgħir.
• Meta t-tagħbija tal-magna tkun għolja, agħmel li t-turbina tipprovdi spinta suffiċjenti bħal turbocharger kbir.
It-turbochargers moderni kkontrollati mill-ECM jistgħu jiksbu l-għanijiet kollha ta 'hawn fuq u r-regolamentazzjoni preċiża tal-istadji intermedji kollha, u b'hekk iġibu veloċitajiet ta' rispons aktar mgħaġġla (inaqqsu l-isteresi tat-turbo) u emissjonijiet aktar baxxi. Xi turbochargers attwali jgħaqqdu wkoll l-użu ta 'valvi ta' bypass esterni ta 'l-egżost u ġeometriji varjabbli interni biex jimmaniġġjaw il-pressjoni ta' spinta fl-iktar firxa wiesgħa ta 'veloċitajiet u tagħbijiet.
• Tip ta 'kontroll tal-valv tal-bypass tal-gass tal-egżost
It-turbocharger tat-tip tal-valv tal-bypass tal-gass tal-egżost ilu jintuża għal ħafna snin. Il-prinċipju tax-xogħol tiegħu huwa: permezz ta '"valv", il-gass ta' l-egżost kollu huwa kkontrollat biex jgħaddi mill-housing tat-turbina, jew parti mill-gass ta 'l-egżost jiġi bypassed direttament għas-sistema ta' l-egżost. Fil-preżent, hemm prinċipalment żewġ metodi ta 'kontroll:
• Kontroll pnewmatiku: It-tħaddim tal-valv tal-bypass jiddependi fuq il-pressjoni tal-manifold tad-dħul. Normalment, jiġi adottat tank attwatur b'molla. B'mod awtomatiku, l-istat magħluq jippermetti li l-gass ta 'l-exhaust jgħaddi kompletament mit-turbina. Meta l-pressjoni tal-boost tal-manifold tilħaq il-valur stabbilit, il-pressjoni tegħleb il-forza tar-rebbiegħa biex timbotta l-virga tal-azzjoni, tiftaħ il-valv biex tevita parti mill-gass tal-egżost.
• Kontroll elettroniku: Ikkontrollat mill-ECM tal-magna. Pereżempju, xi magni jużaw turbini tal-bypass tal-egżost b'portijiet tad-dħul doppji. L-ECM jimmaniġġja b'mod preċiż il-pressjoni li taġixxi fuq l-attwatur permezz ta 'valvi tas-solenojd u pressjoni tal-manifold, u jikseb regolazzjoni ta' spinta f'diversi -stadji. Il-prinċipju ta 'kontroll tiegħu jista' jinġabar fil-qosor bħala mekkaniżmu ta 'kontroll kompost ta' "kontroll elettroniku - elettriku - pnewmatiku".
• Turbina b'ġeometrija varjabbli kkontrollata bil-volut
It-turbochargers tal-ġeometrija varjabbli kkontrollati bil-volut ġew adottati b'mod wiesa 'fil-magni diesel tal-lum. Magni tat-tlielaq ilhom jużaw żennuni ta 'apertura varjabbli biex jikkontrollaw iż-żona tal-fluss tal-volute għal ħafna snin, u l-magni diesel ssellfu din it-teknoloġija. L-ewwel turbocharger ikkontrollat bil-volute applikat għal magni diesel ħareġ fil-bidu tad-disgħinijiet, b'suċċess inizjali limitat. Iżda llum il-ġurnata, il-maġġoranza l-kbira tal-manifatturi tal-magni tad-diżil ippreferew jadottaw teknoloġija volute varjabbli aktar milli t-turbocharger tal-valv tal-bypass tal-egżost tradizzjonali. Pereżempju, it-turbina tal-Ġeometrija varjabbli (VGT) installata fuq il-magna Paccar MX13 murija fil-Figura 12-11 hija rappreżentant tipiku. Biex turi l-prinċipju tax-xogħol tat-turbina tal-ġeometrija varjabbli, se nieħdu t-turbocharger tal-kontroll tal-volute tipiku muri fil-Figura 12-12 bħala eżempju għall-illustrazzjoni.
Figura 12-11 Turbina ta' Ġeometrija Varjabbli (VGT) Użata fuq il-magna Paccar MX13
Figura 12-12 Veduta sezzjonali tat-turbina tal-ġeometrija varjabbli (VGT), b'fokus fuq l-attwatur tagħha
Turbocharger taż-żennuna varjabbli
Figura 12-12 turi sezzjoni trasversali ta' turbocharger tipiku taż-żennuna varjabbli. Jekk jogħġbok irreferi għall-Figura 12-13 biex tidentifika l-komponenti ewlenin bħat-turbina, il-pinion, ix-xafra taż-żennuna u ċ-ċirku sinkroniku.
Figura 12-13 Prinċipju ta' Ħidma ta' Komponenti ta' turbochargers VN.
It-turbocharger taż-żennuna varjabbli jiġġenera l-pressjoni ta 'spinta meħtieġa billi jaġġusta l-Angolu tax-xafra biex ibiddel iż-żona tal-fluss tal-volute. Dan il-proċess jinkiseb bil-pressjoni taż-żejt li taġixxi fuq il-pistun, li tgħaqqad mal-gear CAM u l-crank shaft, u b'hekk issuq iċ-ċirku sinkroniku biex idur. Iċ-ċirku sinkroniku jappoġġja l-assemblaġġi kollha tax-xafra. Kull xafra hija mgħammra b'kanal helical. Meta l-pożizzjoni tar-rotazzjoni taċ-ċirku sinkroniku tinbidel, ix-xafra iddur max-xaft tal-pin tagħha bħala l-fulkru, u b'hekk tikseb l-aġġustament sinkroniku tal-Angolu tal-inklinazzjoni tax-xafra. Permezz ta 'dan il-mekkaniżmu, iż-żona tal-fluss tal-volute (in-naħa tad-dħul) tista' tiżdied jew titnaqqas, li taffettwa direttament l-effiċjenza tal-gass ġewwa l-akkomodazzjoni tat-turbina. Fil-qosor, iż-żona tal-fluss tal-volute tiddetermina l-veloċità tat-turbina u fl-aħħar mill-aħħar il-pressjoni tal-ispinta ġġenerata mill-kompressur tat-turbina.
Kontroll varjabbli taż-żennuna
It-turbocharger taż-żennuna varjabbli huwa regolat mill-valv ta 'kontroll taż-żennuna varjabbli. Dan il-valv ta 'kontroll huwa attwatur proporzjonali ġestit mill-modulu ta' kontroll tal-magna, kapaċi jikkonverti s-sinjal tal-kurrent tad-dħul f'pożizzjoni speċifika taċ-ċirku tal-pistun. Meta x-xfafar ikunu qrib il-pożizzjoni magħluqa (ix-xfafar qatt mhu se jkunu magħluqa kompletament), it-turbocharger jiġġenera l-pressjoni massima ta 'spinta. Il-ġestjoni tal-arja taħt pressjoni hija dipendenti għal kollox fuq il-pożizzjoni tax-xfafar, peress li l-Angolu tax-xafra jiddetermina direttament il-mod kif il-gass tal-egżost jaġixxi fuq it-turbina. Il-Figura 12-14 turi kif il-pressjoni taż-żejt tmexxi ċ-ċirku tal-pistun biex tħaddem il-mekkaniżmu CAM u crank, u tikkawża li ċ-ċirku sinkroniku jdur lejn l-arloġġ, u b'hekk iwessa 'x-xfafar u tnaqqas l-effiċjenza tal-gass tat-turbina.
Figura 12-14 VN Turbocharger: Żid il-ftuħ tax-xafra biex tnaqqas l-effiċjenza tat-turbina.
Meta l-pressjoni taż-żejt timbotta l-pistun biex jimxi lejn ix-xellug (Figura 12-15), iċ-ċirku sinkroniku jdur kontra l-arloġġ, jaġġusta x-xfafar għal Angolu qrib il-pożizzjoni magħluqa, u jsaħħaħ l-effiċjenza tat-turbina biex jipprovdi spinta massima. Dan il-proċess ta' azzjoni jista' jsir referenza għalih fil-Figura 12-16.
Figura 12-15 VN Turbocharger: Naqqas il-ftuħ tax-xafra biex tikseb spinta massima.
Figura 12-16 Ir-rwol taċ-ċirku sinkroniku fil-kontroll tal-ftuħ tax-xafra.
Il-veloċità rotazzjonali tat-turbocharger taż-żennuna varjabbli hija mitmugħa lura lill-modulu tal-kontroll tal-magna permezz ta 'sensor tal-veloċità assjali bbażat fuq il-prinċipju ta' ġeneratur tal-polz tal-induzzjoni. Is-sinjal tal-grillu tiegħu jittieħed mill-istruttura planari f'pożizzjoni speċifika fuq ix-xaft tat-turbina.
3. Slip ring volute turbina
Struttura ta 'volute varjabbli oħra adottata mit-turbochargers ta' Cummins Honicell: iż-żona tal-fluss hija aġġustata billi tmexxi ċ-ċirku taż-żlieq mill-attwatur VG. L-għan tiegħu huwa l-istess bħal dak tat-turbina VN ta 'Caterpillar, iżda l-mod kif tintlaħaq huwa kemmxejn differenti. Figura 12-17 turi modulu attwatur VG tipiku użat fuq magni wara l-2010.
Figura 12-17: Modulu attwatur VG użat fuq magna tipika 10 snin wara.